Etats quantiques du neutron dans le champ de pesanteur … · 2010. 3. 14. · A. V. Strelkov Joint...
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K. Protassov, LPSCK. Protassov, LPSC 11CPPM, 1 Octobre 2007CPPM, 1 Octobre 2007
EtatsEtats quantiquesquantiques du neutron du neutron dansdans le le champ de champ de pesanteurpesanteur
•• MotivationsMotivations•• DDéécouverte expcouverte expéérimentalerimentale•• Etat des lieuxEtat des lieux•• Perspectives Perspectives –– GRANITGRANIT
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22
Quatre interactionsQuatre interactions
ElectromagnElectromagnéétiquetique
Etats liEtats liéés : atomes, mols : atomes, molééculescules
Quantum : photonQuantum : photon
ForteForte
Etats liEtats liéés : noyaux, nucls : noyaux, nuclééonsons
Quantum : gluonQuantum : gluon
FaibleFaible
Etats liEtats liéés : s : --
Quantum : W, ZQuantum : W, Z
GravitationnelleGravitationnelle
Etats liEtats liéés : ?s : ?
Quantum : ?Quantum : ?
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"Let us consider another possibility, an atom held together by gravityalone. For exemple, we might have two neutrons in a bound state. When we calculate the Bohr radius of such an atom, we find that it would be 108 light years, and that the atomic binding energy would be 10-70 Rydbergs. There is then little hope of ever observing gravitational effects on systems which are simple enough to be calculable in quantum mechanics."
Brian Hatfield, in "Feynman Lectures on Gravitation" ;R.P. Feynman, F.B. Morinigo, W.G. Wagner, Ed. Brian Hatfield
Addison-Wesley Publishing Company, 1995, p. 11
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HistoriqueHistorique•• La solution de lLa solution de l’é’équation de quation de ScrScröödingerdinger dans un potentiel dans un potentiel
linlinééaire a aire a ééttéé trouvtrouvéée en e en 19281928 ::G. G. BreitBreit, , PhysPhys RevRev 3232 (1928) 273(1928) 273
•• PremiPremièère expre expéérience de stockage des neutrons ultra froids a rience de stockage des neutrons ultra froids a effectueffectuéée au JINR (e au JINR (DubnaDubna) en ) en 19681968 ::V.I. V.I. LuschikovLuschikov et al., et al., JETP JETP LettLett 9 9 (1969) 40(1969) 40
•• En En 19761976, on a propos, on a proposéé àà chercher les niveaux quantiques chercher les niveaux quantiques avec des neutrons ultra froids :avec des neutrons ultra froids :V.I. V.I. LuschikovLuschikov, , PhysicsPhysics TodayToday 42 42 (1977) 51;(1977) 51;V.I. V.I. LuschikovLuschikov and A.I. Frank, and A.I. Frank, JETP JETP LettLett 28 28 (1978) 559(1978) 559
•• PremiPremièère observation des niveaux quantiques du neutron re observation des niveaux quantiques du neutron dans le champ de pesanteur a fait dans le champ de pesanteur a fait àà ILL en ILL en 19991999 : : V.V.V.NesvizhevskyV.Nesvizhevsky et al., et al., NatureNature 415415 (2002) 297;(2002) 297;PhysPhys RevRev D87D87 (2003) 102002(2003) 102002
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Choix du systChoix du systèèmeme
Les Les éétats quantiques peuvent apparatats quantiques peuvent apparaîître pour un tre pour un neutron ultra froidsneutron ultra froids
-- une particule neutreune particule neutre-- dd’’une longue durune longue duréée de viee de vie-- dd’’une faible masseune faible masse-- dd’’une faible une faible éénergie (tempnergie (tempéérature)rature)
dans un puis formdans un puis forméé par un miroirpar un miroir-- diffusion diffusion éélastique lastique àà 99,99%99,99%-- absorption 10absorption 10--55
-- diffusion indiffusion inéélastique 10lastique 10--44
-- grande barrigrande barrièère de potentielre de potentiel
et le champ de pesanteur et le champ de pesanteur
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66
Institut Laue Langevin, GrenobleInstitut Laue Langevin, GrenobleILL
ESRF
LPSC
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77
Exercice de mExercice de méécanique quantiquecanique quantique
1,41
2,46
3,32
0 14 24 32 ,z mμ
,nE peV( )V z mgz=
2
30 2 5,87 m2z
gmμ= =h
2qc 3
9 18 4
⎛ ⎞⎛ ⎞ ⎛ ⎞≈ ⋅ −⎜ ⎟ ⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠ ⎝ ⎠⎝ ⎠hn
mE g nπ
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88
MMééthodes dthodes d’’observationobservation
•• MMééthode intthode intéégrale (recherche dgrale (recherche d’’un un paramparamèètre avec un comportement discret)tre avec un comportement discret)
•• MMééthode diffthode difféérentielle (visualisation de la rentielle (visualisation de la fonction dfonction d’’onde onde –– «« photo photo »»))
•• Recherche des transitions entre les Recherche des transitions entre les niveaux quantiquesniveaux quantiques
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MMééthode intthode intéégralegrale
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1010
IdIdéée de e de ll’’installation :installation :
RRéésultat espsultat espéérréé(na(naïïvement) :vement) :
0Δz
N
( )2 /3qc 2/3 pour Δ Δ →∞nN E z z
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1111
InstallationInstallation
ADC
DAC
Amplifier
Amplifier
Shuttercontrol
COMPUTER
11
10 98
765
4
3
2
1
1. Neutron guide2. Anti-vibration table3. Polished granite stone4. Piezo translators5. Vacuum chamber6. Mirrors and absorber7. Detector8. Anti-magnetic shielding9. Input collimator10. Neutron shutter11. Inclinometers
10 cm
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1212
Premiers rPremiers réésultats (1999)sultats (1999)
On voit lOn voit l’é’état tat fondamentalfondamental
!!!!!!
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1313
ProblProblèème de la rme de la réésolutionsolution•• Il existe une Il existe une
rréésolution minimale solution minimale que lque l’’on peut pas on peut pas amamééliorerliorer
•• Cette rCette réésolution est solution est directement lidirectement liéée au e au champ gravitationnel champ gravitationnel luilui--mêmemême
•• Elle est due Elle est due àà ll’’effet effet tunnel tunnel àà travers de la travers de la barribarrièère re gravitationnellegravitationnelle
exp1 syst stat12.2 1.8 0.7 mz μ= ± ±
exp2 syst stat21.3 2.2 0.7 mz μ= ± ±
qc1qc2
13.7 m
24.0 m
z
z
μ
μ
=
=
2
=0.9dofχ
32
0
( ) Exp Exp⎛ ⎞⎛ ⎞
⎛ ⎞−⎜ ⎟⎜ ⎟Δ − − ⎜ ⎟⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎜ ⎟⎜ ⎟⎝ ⎠⎝ ⎠
∑ nnn
Δz z4N z = β α3 z z
( )V z
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1414
PeutPeut--on voir un on voir un éétat excittat excitéé ??
Résultats préliminaires
de 2004
•• Oui, maisOui, mais……
•• Si lSi l’’onon veut veut le voir plus le voir plus
explicitement explicitement il faut il faut
chercher chercher autre autre
chosechose……
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1515
«« Photo Photo »» de la fonction dde la fonction d’’ondeonde(d(déétecteur tecteur àà haute rhaute réésolution spatiale)solution spatiale)
Plastic
Uranium-235
Supermirror coatingFission
fragment
ΔX
UCNneutrons
~0.2 μm ~0.5 μm
120 mm
Picture of developed detector with tracks
15 m
m
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1616
Fonctions dFonctions d’’ondeonde
0 10 20 30 40 50Z, micron
1st quantum state
0 10 20 30 40 50Z, micron
2nd quantum state
0 10 20 30 40 50Z, micron
3rd quantum state
0 10 20 30 40 50Z, micron
4th quantum state
2 ( )n zψ
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1717
La premiLa premièère photore photo
Nesvizhevsky et al.,J. Phys. C40 (2005)
479
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1818
La photo dLa photo d’’aujourd'huiaujourd'hui
Pour se Pour se ddéébarrasser de barrasser de
ll’é’état tat fondamentalefondamentaleil faut modifier il faut modifier
llééggèèrement notre rement notre installation :installation :
Résultats préliminaires
de 2005
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1919
Applications inattenduesApplications inattendues
/1 2( ) (1 )rGm mV r G er
λα −= − +
pHe
Recherches des forces nouvelles (dimensions supplRecherches des forces nouvelles (dimensions suppléémentairesmentaires……))V.V. V.V. NesvizhevskyNesvizhevsky, K.V. , K.V. ProtasovProtasov, , Class. Quant. GravClass. Quant. Grav. . 2121 (2004) 4557(2004) 4557
Une interaction Une interaction supplsuppléémentairementaire
modifie le potentielmodifie le potentiel
0/ 2 /2( ) z zGe GU m eV zλ λδ α λπ ρ− −= − = −
Cette expérience
pHe
Casimir
α
λ
-
2020
Recherches de lRecherches de l’’axionaxionS. S. BaesslerBaessler, V.V. , V.V. NesvizhevskyNesvizhevsky, K.V. , K.V. ProtasovProtasov, , A.YuA.Yu. . VoroninVoronin, ,
Phys. Phys. RevRev. . D75D75 (2007) 075006(2007) 075006
Une interaction Une interaction supplsuppléémentairementaire
introduit la sintroduit la sééparationparationdes niveauxdes niveaux
/2
1 1( )8
−⋅ ⎛ ⎞= +⎜ ⎟⎝ ⎠
ur rr
h rP SnV r g g emc r r
λσπ λ
λ
PVLAS
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2121
Notre collaborationNotre collaborationV. V. V. V. NesvizhevskyNesvizhevsky, A. K. , A. K. PetukhovPetukhov, H. G. , H. G. BBöörnerrner
Institut Laue-Langevin, Grenoble, FranceA. M. A. M. GagarskiGagarski, G. A. Petrov , G. A. Petrov
Petersburg Nuclear Physics Institute, Gatchina, RussiaA. V. A. V. StrelkovStrelkov
Joint Institute of Nuclear Research, Dubna, RussiaK. V. K. V. ProtasovProtasov
Laboratoire de Physique Subatomique et de Cosmologie, Grenoble, FranceA. A. YuYu. . VoroninVoronin
Lebedev Physical Institute, Moscow, RussiaS. S. BaeBaeßßlerler
University of Mainz, GermanyH. AbeleH. Abele
University of Heidelberg, GermanyA. WestphalA. Westphal
DESY, Hamburg, Germany
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2222
Recherche des transitions rRecherche des transitions réésonnantes entre sonnantes entre les niveaux quantiquesles niveaux quantiques
(ANR(ANR--2005 : ILL, LPSC, LMA)2005 : ILL, LPSC, LMA)
ObjectifsObjectifs
•• Obtenir la durObtenir la duréée de vie du neutron dans un e de vie du neutron dans un éétat tat quantique de lquantique de l’’ordre dordre d’’une seconde une seconde
•• Observer les transitions rObserver les transitions réésonnantes induites par le sonnantes induites par le gradient du champ magngradient du champ magnéétiquetique
GRAvitational Neutron Induced Transitions
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2323
IdIdéée de le de l’’expexpéériencerience
1. Peupler la partiebasse du spectre
2. Peupler un niveau excité par une
transition résonante
3. Transition entreles niveaux voisins
4. Détection des neutrons
Fin 2008
30 cm
100-
1000
μm
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2424
ExpExpéérience avec une source localerience avec une source locale
-
2525
ConclusionsConclusions
•• Même si la rMême si la rééalisation technique est tralisation technique est trèès s difficiledifficile
•• La physique est trLa physique est trèès belle et s belle et ……imprimpréévisiblevisible
•• Toutes les bons idToutes les bons idéées et les collaborateurs es et les collaborateurs intintééressresséés sont bienvenuss sont bienvenus
Etats quantiques du neutron dans le champ de pesanteurQuatre interactionsHistoriqueChoix du systèmeInstitut Laue Langevin, GrenobleExercice de mécanique quantiqueMéthodes d’observationMéthode intégraleInstallationPremiers résultats (1999)Problème de la résolutionPeut-on voir un état excité ?« Photo » de la fonction d’onde�(détecteur à haute résolution spatiale) Fonctions d’ondeLa première photoLa photo d’aujourd'huiApplications inattenduesNotre collaborationRecherche des transitions résonnantes entre les niveaux quantiques�(ANR-2005 : ILL, LPSC, LMA)Idée de l’expérienceExpérience avec une source localeConclusions
/ColorImageDict > /JPEG2000ColorACSImageDict > /JPEG2000ColorImageDict > /AntiAliasGrayImages false /CropGrayImages true /GrayImageMinResolution 300 /GrayImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleGrayImages true /GrayImageDownsampleType /Bicubic /GrayImageResolution 300 /GrayImageDepth -1 /GrayImageMinDownsampleDepth 2 /GrayImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeGrayImages true /GrayImageFilter /DCTEncode /AutoFilterGrayImages true /GrayImageAutoFilterStrategy /JPEG /GrayACSImageDict > /GrayImageDict > /JPEG2000GrayACSImageDict > /JPEG2000GrayImageDict > /AntiAliasMonoImages false /CropMonoImages true /MonoImageMinResolution 1200 /MonoImageMinResolutionPolicy /OK /DownsampleMonoImages true /MonoImageDownsampleType /Bicubic /MonoImageResolution 1200 /MonoImageDepth -1 /MonoImageDownsampleThreshold 1.50000 /EncodeMonoImages true /MonoImageFilter /CCITTFaxEncode /MonoImageDict > /AllowPSXObjects false /CheckCompliance [ /None ] /PDFX1aCheck false /PDFX3Check false /PDFXCompliantPDFOnly false /PDFXNoTrimBoxError true /PDFXTrimBoxToMediaBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXSetBleedBoxToMediaBox true /PDFXBleedBoxToTrimBoxOffset [ 0.00000 0.00000 0.00000 0.00000 ] /PDFXOutputIntentProfile () /PDFXOutputConditionIdentifier () /PDFXOutputCondition () /PDFXRegistryName () /PDFXTrapped /False
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